7A04铝合金高压开关部件剥落腐蚀分析及解决措施 sup ① _sup _胡加瑞.pdf

返回 相似 举报
7A04铝合金高压开关部件剥落腐蚀分析及解决措施 sup ① _sup _胡加瑞.pdf_第1页
第1页 / 共4页
7A04铝合金高压开关部件剥落腐蚀分析及解决措施 sup ① _sup _胡加瑞.pdf_第2页
第2页 / 共4页
7A04铝合金高压开关部件剥落腐蚀分析及解决措施 sup ① _sup _胡加瑞.pdf_第3页
第3页 / 共4页
7A04铝合金高压开关部件剥落腐蚀分析及解决措施 sup ① _sup _胡加瑞.pdf_第4页
第4页 / 共4页
亲,该文档总共4页,全部预览完了,如果喜欢就下载吧!
资源描述:
7A04 铝合金高压开关部件剥落腐蚀分析及解决措施 ① 胡加瑞, 陈 伟, 李文波, 谢 亿, 龚 静, 王 军 (国网湖南省电力公司 电力科学研究院,湖南 长沙 410007) 摘 要 对产生剥落腐蚀的 7A04 铝合金开关拐臂进行了形貌及组织分析、硬度试验、剥落试验。 研究结果表明,晶界大量散布的 链珠状 Mg(Zn,Cu,Al)2相是造成拐臂发生腐蚀的主要原因。 表面处理及热处理表明,双级时效后样品的硬度大约为 170~185HV, 而双级时效+喷丸处理后的表层100 μm 区域的表面硬化更为明显,硬度提升至260HV;经过喷丸+双级热处理以后的样品抗剥落腐 蚀性能最优,为 PB 级,可满足服役要求。 关键词 高压开关; 7A04 铝合金; 剥落腐蚀; 表面处理; 喷丸; 双级时效; 腐蚀 中图分类号 TM727文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2018.01.029 文章编号 0253-6099(2018)01-0119-04 Investigation of Exfoliation Corrosion of A High⁃voltage Switch of 7A04 Aluminum Alloy and Corresponding Remedial Measures HU Jia⁃rui, CHEN Wei, LI Wen⁃bo, XIE Yi, GONG Jing, WANG Jun (State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute, Changsha 410007, Hunan, China) Abstract Morphology and microstructure analysis, hardness test and spalling test were carried out on the crank arm of a 7A04 aluminum alloy switch with exfoliation corrosion. Results showed that the corrosion of the crank arm was primarily attributed to a large amount of bead⁃like Mg(Zn,Cu,Al)2phase dispersed in the grain boundaries. Surface treatment and heat treatment suggested that the hardness of the sample was about 170~185HV after two⁃stage ageing. And a combined treatment of two⁃stage ageing and shot peening resulted in the surface hardening enhanced to 260HV in the 100 μm region, exhibiting an optimal performance in resisting exfoliation corrosion, up to PB grade, which can meet the working requirements. Key words high⁃voltage switch; 7A04 aluminum alloy; exfoliation corrosion; surface treatment; shot peening; two⁃stage ageing; corrosion 7 系列铝合金属于 Al⁃Zn⁃Mg⁃Cu 系超硬铝合金, 该合金具有优良的综合性能,在航空、航天、交通运输 等部门应用较广泛,同时,由于其强度高、密度低及加 工性良好,在电器产品中的应用也越来越多。 目前部 分高压开关的操作拐臂选用了 7 系列铝合金[1-5]。 但 是,该系列合金对局部腐蚀很敏感,易发生剥落腐蚀和 应力腐蚀断裂。 目前在电网系统中 7 系列铝合金的失 效呈上升趋势,严重影响设备安全运行,例如湖南电网 2014~2016 年相继发现 50 余台 LW36-126 高压开关 7A04 铝合金拐臂存在严重剥蚀现象[6-9]。 高压电气 设备设计和制造过程中大多只对其力学性能进行校 核,并未对其组织性能及使用条件进行更深层次的评 价,本文分析了 7A04 铝合金的剥落腐蚀行为,并提出 了相应的解决措施,可对该合金部件的制造、运行及金 属监督提供参考。 1 试 验 试验样品为 LW36-126 断路器用水平连杆拐臂, 设计材料为 7A04 铝合金,拐臂的表面腐蚀形貌如图 1 所示。 图 1 LW36-126 断路器拐臂腐蚀形貌 ①收稿日期 2017-09-01 作者简介 胡加瑞(1984-),男,河南新乡人,工程师,硕士,主要从事电力系统金属部件失效分析工作。 第 38 卷第 1 期 2018 年 02 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.38 №1 February 2018 ChaoXing 在德国产蔡司大型金相显微镜下观察金相组织, 腐蚀剂为科勒试剂。 在 DLY-30 型液压万能材料试验 机上进行室温拉伸实验,测定其抗拉强度、伸长率,拉 伸速度为 2 mm/ min。 在 HBE-3000A 布氏硬度计上 测定材料的布氏硬度。 在 Philips Sirion200 型扫描电 镜上观察显微组织。 2 试验结果及讨论 2.1 断路器拐臂显微组织分析 对断路器拐臂进行金相及 SEM 组织观察,如图 2 所示。 由图 2(a)可知,原材料组织中 Al 的晶粒呈现 出大的长径比,表现为梭形形貌,并且晶内还保留着一 定量粗大的第二相,并且这些粗大的第二相有些分布 于晶界上。 由图 2(b)可以看出,在基体上有大量的第 二相颗粒析出,且颗粒的大小不一致,部分颗粒具有沿 晶界析出的倾向,对其成分进行分析,主要为 Al、Mg, 为 αAl 固溶体。 图 2 断路器拐臂显微组织 (a) 拐臂金相组织; (b) 拐臂 SEM 形貌 对断路器拐臂进行 TEM 分析,如图 3 所示。 由图 3 可以看出,晶内有大量的第二相颗粒存在,其中该样 品的析出相主要为棒状、球状,且颗粒较粗大,弥散程 度较高。 大量弥散相的存在是 Al⁃Zn⁃Mg⁃Cu 系合金强 度高于其他系列铝合金的重要原因。 图 3 断路器拐臂 TEM 分析 由图 3 还可以看出,该铝合金组织为时效析出相 与基体共存,析出相在晶界和晶粒内部都有分布在晶 粒内部呈弥散分布,晶界处 η 相呈链珠状断续分布。 通常 η 相在合金腐蚀过程中为阳极相,将优先发生阳 极溶解,因而在 7A04 铝合金中存在一个由 η 相与其 边缘铝基体组成的腐蚀电偶,从而形成活性腐蚀通道。 η 相溶解并在晶界处产生腐蚀产物,腐蚀产物与原来 的阳极相比,体积较大,而体积的膨胀导致在晶界处形 成了楔形力。 腐蚀产物不断在晶界堆积,表面晶粒在 楔形力的作用下会剥离铝基体,从而形成剥蚀。 2.2 热处理对断路器拐臂组织的影响 为研究热处理对 7A04 铝合金组织以及剥落腐蚀性 能的影响,采取固溶处理+双级时效对拐臂进行处理,具 体工艺为480 ℃ /24 h→125 ℃ /24 h→175 ℃ /24 h。 经 过双级时效处理后的组织如图 4 所示。 与图 3 相比, 组织中粗大的 η 相和共晶相几乎完全溶解,强化相更 均匀、细小;而且晶粒较图 2 更均匀,晶粒逐渐球化,变 成等轴晶粒。 图 4 合金双级时效态组织 2.3 喷丸处理后组织分析 应力是影响铝合金剥蚀敏感性的重要因素,一般 拉应力会促进剥蚀的发展,而压应力能缓解剥蚀的进 行。 制造过程中铝合金的喷丸处理工艺相对简单,一 般设备制造厂家都拥有喷丸设备。 喷丸处理前后的合 金表层的金相组织如图 5 所示。 由图 5 可知,未喷丸 处理的 7A04 铝合金表面晶粒较粗大,喷丸处理后的 合金表层晶粒得到细化。 图 5 喷丸处理前后合金表层金相组织 (a) 处理前; (b) 处理后 喷丸处理使表面晶粒细化的同时也使表面硬度提 高,即出现了加工硬化效应。 不同方法处理后表层硬 度测试结果如图 6 所示。 双级时效处理后样品的硬度 有较大增加,由 155~160HV 上升至 170~185HV;而双 级时效+喷丸处理后的表面硬化更为明显,其硬度由 021矿 冶 工 程第 38 卷 ChaoXing 180HV 提升至 260HV。 距表面深度/μm ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 270 240 210 180 150 500100150200250 硬度HV ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ 双级时效喷丸 双级时效 未处理 ■ ■ ● ▲ 图 6 不同处理方法对合金表面硬度的影响 2.4 拐臂剥落腐蚀分析 按以下方法配置剥落实验溶液将 234 g NaCl 和 50 g KNO3溶于蒸馏水或者去离子水中,然后添加 6.3 mL HNO3,再用蒸馏水或去离子水稀释至 1 000 mL,此时 溶液中含 4.0 mol 的 NaCl,0.5 mol 的 KNO3和 0.1 mol 的 HNO3,pH 值约为 0.4。 试验温度为 25 ℃。 原始拐臂腐蚀试验结果如表 1 所示。 随着时间延 长,该铝合金的腐蚀程度不断加深,由表面的点蚀发展 至严重的分层。 6 h、24 h、48 h 的剥蚀程度评级依次 为 PB、EA、EB,说明其发生早期腐蚀的可能较大,同时 其剥蚀敏感性较强。 表 1 原始拐臂剥落腐蚀评级 样品浸泡时间/ h剥落腐蚀级别 16PB 224EA 348EB 对原始拐臂样品及经浸泡 6 h、24 h、48 h 后的样 品分别进行力学性能检测,结果见表 2。 浸泡时间延 长,铝合金力学性能下降,经 48 h 腐蚀后,试样比原始 样品抗拉强度下降 26.23%,延伸率下降 52.31%。 表 2 力学性能 浸泡时间/ h抗拉强度/ MPa断后伸长率/ % 05916.5 65134.5 244823.8 484363.1 2.5 热处理及喷丸处理对7A04铝合金剥落腐蚀性能影响 为进一步分析原始态、热处理及喷丸后铝合金的 剥落腐蚀性能,将原试样上直接取下的样品记为 S1, 经过双级时效后的样品记为 S2,时效+喷丸处理的样 品为 S3。 将以上样品一起放入腐蚀液中,48 h 后取 出,腐蚀后样品表面形貌如图 7 所示,剥落腐蚀评级如 表 3 所示。 图 7 截面形貌图 (a) 样品 S1; (b) 样品 S2; (3) 样品 S3 表 3 不同处理状态下铝合金剥落腐蚀评级 样品处理状态剥落腐蚀级别 S1原始态EB S2双级时效EA S3双级时效+喷丸PB 由图 7 可以看出,样品 S1 形状完好,沿样品长度 方向存在表面鼓起现象,鼓起处有少量破裂现象,这说 明剥落现象与材料的加工方式有关,腐蚀评级为 EB 级。 经过双极时效处理的样品 S2,其表面比样品 S1 平整,仅出现腐蚀坑和腐蚀孔洞,没有表层金属鼓起, 具有较好的抗剥落腐蚀性能,腐蚀评级为 EA 级。 经 过双级时效工艺处理后,合金中粗大的第二相减少,亦 即减少了腐蚀源,因此,通过热处理后,合金中的点蚀源 减少,材料的腐蚀敏感性降低,抗剥落腐蚀性能提高。 样品 S3 的评级为 PB,耐剥蚀性能最优,喷丸强化 能够使材料表面原本具有高度取向性的晶粒细化,形 成等轴晶,由此使得发生剥落腐蚀所需要的平行于材 料表面的活性通道被阻隔,剥蚀的发生和发展被延缓。 喷丸强化材料表面引入了残余应力,能够降低铝合金 表面及晶界处原子的电化学活性,从而减缓晶界区的 选择性腐蚀。 从图 7 可以发现,样品 S1、S2、S3 的抗剥落腐蚀性 能逐渐增强,其中 S3 的抗剥落腐蚀性能最优。 这是因 为喷丸使铝合金表层晶粒细化,降低了表层晶粒的长 宽比,而在一定的晶粒长宽比下,剥蚀主要表现为局部 121第 1 期胡加瑞等 7A04 铝合金高压开关部件剥落腐蚀分析及解决措施 ChaoXing 粉化或脱层,不再发生鼓泡现象。 此外,喷丸处理引入 的残余压应力能够抵消一定的晶间腐蚀产物引起的楔 入力,有利于抑制鼓泡和分层现象的发生。 经以上分 析可知,喷丸+双级热处理可以改善 7A04 铝合金拐臂 的抗剥落腐蚀性能。 3 结 论 1) 拐臂用 7A04 铝合金晶界和晶粒内部分布有大 量弥散 Mg(Zn,Cu,Al)2相,且呈链珠状断续分布,其 发生阳极溶解,造成拐臂发生严重的剥落腐蚀现象;通 过双级时效后晶粒中粗大的 Mg(Zn,Cu,Al)2相和共 晶相几乎完全溶解,强化相更均匀、细小。 2) 双级时效后的 7A04 铝合金硬度 170~185HV, 而双级时效+喷丸处理后的表层 100 μm 区域发生了 表面硬化更为明显,其硬度提升至 260HV。 3) 剥落腐蚀试验结果表明,经过喷丸+双级热处 理以后的样品抗剥落腐蚀性能最优,评级为 PB,其表 层的晶粒变细小且表面硬度有较大提高,喷丸+双级热 处理可以改善 7A04 铝合金拐臂的抗剥落腐蚀性能。 参考文献 [1] 李劲风,张 昭,郑子樵,等. 拉应力对 7075 铝合金的剥蚀及其电 化学阻抗谱的影响[J]. 腐蚀科学与防护技术, 2005,17(2)79-82. [2] 邱 琼,王仁智. 关于残余应力的静载松弛与最佳喷丸残余应力 场的研究[J]. 金属科学与工艺, 1988,7(1)1-7. [3] 戴晓元,夏长清,孙振起,等. Al⁃9.0Zn⁃2.5Mg⁃1.2Cu⁃0.12Sc⁃0.15Zr 合 金的组织和性能[J]. 中国有色金属学报, 2007,17(3)396-402. [4] 刘昌斌,夏长清,戴晓元. 高强高韧铝合金的研究现状及发展趋势[J]. 矿冶工程, 2003,23(5)74-78. [5] 陈昌麒. 超高强度铝合金的发展[J]. 中国有色金属学报, 2002, 12(s2)12-27. [6] 郑青春,刘志义,宁爱林,等. 超塑预处理对 7A04 铝合金显微组 织及力学性能的研究[J]. 矿冶工程, 2005,25(4)69-73. [7] 万贻敏,刘俊伟,袁荣火,等. LZ91 铸态合金生物腐蚀机理研究[J]. 矿冶工程, 2016(1)117-120. [8] 刘文娟,刘志义,林亮华,等. 预变形方式对 T76 时效态 7475 铝合 金组织及性能的影响[J]. 矿冶工程, 2017,37(4)127-131. [9] 陈国宏,王家庆,张建望,等. 钢芯 Al 绞导线架空导线微动磨损行 为[J]. 润滑与密封, 2010,35(5)55-59. 引用本文 胡加瑞,陈 伟,李文波,等. 7A04 铝合金高压开关部件剥落 腐蚀分析及解决措施[J]. 矿冶工程, 2018,38(1)119-122. (上接第 118 页) [11] Zhang Q H, Han W D, Hong Y J, et al. Photocatalytic reduction of CO2with H2O on Pt⁃loaded Ti2O catalyst[J]. Catalysis Today, 2009,148335-340. [12] Salavati⁃Niasari M, Davar F, Farhadi M. Synthesis and characteriza⁃ tion of spinel⁃type CuAl2O4nanocrystalline by modified sol⁃gel method[J]. J Sol⁃Gel Sci Technol, 2009(51)48-52. [13] Xu J S, Xue D F, Yan C L, et al. Chemical synthesis of NaTaO3 power at low⁃temperature[J]. Materials Letters, 2005, 59 ( 23) 2920-2922. [14] 张 丽,阎建辉,周民杰,等. 高比表面空心球状 ZnO/ ZnAl2O4 复合光催化剂制备及活性[J]. 无机化学学报, 2012,28(9) 1827-1834. [15] Driessen M D, Grassian V H. Photooxidation of Trichloroethylene on Pt/ TiO2[J]. Phys Chem B, 1998,1021418-1423. [16] Schierbaum K D, Fischer S, Torquemada M C, et al. The interac⁃ tion of Pt with TiO2(110) surfacesa comparative XPS,UPS,ISS and ESD study[J]. Surface Science, 1996,45(3)261-273. [17] Wang C C, Hsueh Y C, Su C Y, et al. Deposition of uniform Pt nanoparticles with controllable size on TiO2⁃based nanowires by atomic layer deposition and their photocatalytic properties[J]. Nano⁃ technology, 2015,26(25)254002-254011. [18] Sadeghi M, Liu W, Zhang T, et al. Role of Photoinduced Charge Carrier Separation Distance in Heterogeneous Photocatalysis Oxida⁃ tive Degradation of CH3OH Vapor in Contact with Pt/ TiO2and Co⁃ fumed TiO2⁃Fe2O3[J]. Journal of Physical Chemistry, 2014,100 (50)19466-19474. [19] Rosseler O, Shankar M V, Du K L, et al. Solar light photocatalytic hydrogen production from water over Pt and Au/ TiO2(anatase/ rutile) photocatalysts Influence of noble metal and porogen promotion[J]. Journal of Catalysis, 2010,269(1)179-190. [20] Chen W, Wang H, Mao L, et al. Influence of loading Pt, RhO2, co⁃ catalysts on photocatalytic overall water splitting over H1.9K0.3La0.5⁃ Bi0.1Ta2O7[J]. Catalysis Communications, 2014,57(57)115-118. [21] Kebir M, Chabani M, Nasrallah N, et al. Coupling adsorption with photocatalysis process for the Cr(VI) removal[J]. Desalination, 2011,270(1)166-173. 引用本文 张 丽,梁青满,宁弘宇,等. 贵金属(Pt,Ag,Ru)负载修饰 CuO/ CuAl2O4复合光催化剂及其光催化性能[J]. 矿冶工程, 2018,38 (1)115-118. 221矿 冶 工 程第 38 卷 ChaoXing
展开阅读全文

资源标签

最新标签

长按识别或保存二维码,关注学链未来公众号

copyright@ 2019-2020“矿业文库”网

矿业文库合伙人QQ群 30735420